Волновые криогенераторы

Газ высокого давления подаётся через сужающееся устройство, в котором возникает звуковая скорость. После этого происходит стоящая звуковая волна, один конец которой возникает при более низкой температуре, другой – при более высокой.

Рисунок 106. Волновой криогенератор.

В дальнейшем развитии волновых криогенераторов был использован эллипсоидный резонатор.

Рисунок 107. Эллипсоидный криогенератор.

Обобщение адиабатных процессов расширения.

Все процессы лежат в области снизу, ограниченные изоэнтропным расширением, а сверху – дросселированием.

Рисунок 108. Область вихревого расширения.

Рисунок 109. Работа волнового расширения.

Лекция 20

Процесс откачки паров над зеркалом кипящей жидкости.

17.11.2014

Рисунок 110. Адиабатная откачка паров.

В результате работы ВН давление в ёмкости с жидкостью уменьшается, и температура жидкости становится равной температуре насыщения при данном давлении.

С помощью откачки получают T вплоть до тройной точки.

Откачка является основным процессом для получения . Рабочее вещество – гелий.

Для определения зависимости величины понижения температуры от массы испарившейся жидкости воспользуемся уравнением сохранения энергии, принимая следующие допущения:

1) процесс откачки является равновесным, т.е. T жидкости во всём объёме в данный момент времени одинакова

2) в процессе откачки нет уноса капель жидкости вместе с откачкой паров

3) T жидкости в любой момент времени равна T откачиваемого пара

4) температура внутренней стенки криостата, где находятся жидкость, равна температуре жидкости

Количество теплоты, необходимое для испарения части жидкости, затрачивается на охлаждение жидкости, внутренней стенки и компенсацию теплопритока из окружающей среды.

– масса испарившейся жидкости

– начальная масса жидкости

– теплота испарения жидкости

– теплоёмкость жидкости

– масса стенки

– теплоёмкость стенки

– теплоприток из окружающей среды

Величины берутся в интервале температур , т.е. осредняются.

Рисунок 111. Откачка паров.

Процесс откачки часто применяется при транспортировке и хранении криогенных жидкостей.

После заполнения ёмкости криогенной жидкостью, её откачивают до давления .

В процессе перевозки за счёт теплопритоков происходит нагрев жидкости и кипение; и давление жидкости растёт.

Основная проблема в процессе откачки – температурная стратификация.

Рисунок 112. Стратификация.

Вследствие ограниченной теплопроводности жидкости верхние слои будут иметь наинизшую температуру, близкую к T насыщения при давлении откачки, а слои около дна – наивысшую. Из-за разности плотностей холодной и тёплой жидкостей происходит резкое падение верхних охлажденных слоёв на дно криостата, что сопровождается практически мгновенным испарением этой холодной жидкости ⇒ резко увеличивается объём паровой фазы: насос не справляется с таким количеством; происходит резкое повышение давления, приводящее к поломке криостата.

Охлаждение с помощью барботирования

Барботаж – движение газовых пузырей в слое жидкости или движение капель жидкости в объеме пара.

Рисунок 113. Барботаж.

1) Испарение из жидкости паров в газовую среду сопровождается понижением температуры

2) Растворение газа в жидкость

3) Выделение растворенных в жидкость газов в газовую среду

Рассмотрим процесс понижения температуры при барботаже в адиабатных условиях.

Рисунок 114. t-d диаграмма.

Рисунок 115. Линия насыщенного пара.

Рисунок 116. Процесс барботажа.

Адиабатическое охлаждение воздуха – процесс вблизи фонтана.

Рисунок 117. Адиабатическое охлаждение воздуха вблизи фонтана.

Пример: